Тема 5. Механизм сообщений в операционных системах

План лекции

1. Парадигмы пользовательского интерфейса

1.1. Консольный интерфейс

#include <stdio.h>

int main() {
    printf("Введите число: ");
    int num;
    scanf("%d", &num);
    printf("Вы ввели: %d\n", num);
    return 0;
}

1.2. Графический оконный интерфейс (GUI)

1.3. Сравнение парадигм

2. Класс окна

2.1. Понятие класса окна

Класс окна — шаблон, определяющий характеристики группы окон.

Регистрация класса окна:

WNDCLASSEX wc = {0};
wc.cbSize = sizeof(WNDCLASSEX);
wc.lpfnWndProc = WindowProc;      // Оконная процедура
wc.hInstance = hInstance;
wc.lpszClassName = L"MyClass";
wc.hCursor = LoadCursor(NULL, IDC_ARROW);
wc.hbrBackground = (HBRUSH)(COLOR_WINDOW + 1);

RegisterClassEx(&wc);

2.2. Предопределенные классы Windows

HWND hButton = CreateWindow(
    L"BUTTON",           // Класс
    L"Нажми меня",       // Текст
    WS_VISIBLE | WS_CHILD | BS_PUSHBUTTON,
    10, 10, 100, 30,     // Позиция и размер
    hWndParent,          // Родительское окно
    (HMENU)ID_BUTTON,    // Идентификатор
    hInstance, NULL
);

3. Данные окна и класса

3.1. Получение и изменение данных

// Выделение при регистрации класса
wc.cbWndExtra = sizeof(MyData);

// Установка данных
SetWindowLongPtr(hWnd, GWLP_USERDATA, (LONG_PTR)data);

// Получение данных
MyData* data = (MyData*)GetWindowLongPtr(hWnd, GWLP_USERDATA);

// Получение стиля
LONG style = GetWindowLong(hWnd, GWL_STYLE);

// Изменение стиля
style |= WS_BORDER;
SetWindowLong(hWnd, GWL_STYLE, style);

// Перерисовка
SetWindowPos(hWnd, NULL, 0, 0, 0, 0,
    SWP_NOMOVE | SWP_NOSIZE | SWP_NOZORDER | SWP_FRAMECHANGED);

4. Событийное управление

4.1. Модель событийного программирования

Принцип:

1. Приложение ожидает событий
2. Событие поступает в очередь
3. Диспетчер извлекает событие
4. Вызывается обработчик
5. Цикл повторяется

4.2. Цикл обработки сообщений

MSG msg;

// Стандартный цикл сообщений
while (GetMessage(&msg, NULL, 0, 0)) {
    TranslateMessage(&msg);  // Обработка клавиатуры
    DispatchMessage(&msg);   // Вызов оконной процедуры
}

// Альтернатива: PeekMessage для неблокирующего опроса
while (true) {
    if (PeekMessage(&msg, NULL, 0, 0, PM_REMOVE)) {
        if (msg.message == WM_QUIT)
            break;
        TranslateMessage(&msg);
        DispatchMessage(&msg);
    }
    // Выполнение другой работы
}

5. Элементы оконного интерфейса

5.1. Структура оконного приложения

// 1. Регистрация класса окна
RegisterClassEx(&wc);

// 2. Создание окна
HWND hWnd = CreateWindowEx(
    0, L"MyClass", L"Заголовок",
    WS_OVERLAPPEDWINDOW,
    CW_USEDEFAULT, CW_USEDEFAULT,
    800, 600,
    NULL, NULL, hInstance, NULL
);

// 3. Отображение окна
ShowWindow(hWnd, nCmdShow);
UpdateWindow(hWnd);

// 4. Цикл сообщений
while (GetMessage(&msg, NULL, 0, 0)) { ... }

// 5. Завершение
return msg.wParam;

5.2. Оконная процедура

LRESULT CALLBACK WindowProc(
    HWND hWnd,      // Дескриптор окна
    UINT message,   // Код сообщения
    WPARAM wParam,  // Дополнительный параметр
    LPARAM lParam   // Дополнительный параметр
) {
    switch (message) {
        case WM_CREATE:
            // Инициализация
            return 0;
            
        case WM_PAINT:
            // Перерисовка
            return 0;
            
        case WM_DESTROY:
            PostQuitMessage(0);
            return 0;
            
        default:
            return DefWindowProc(hWnd, message, wParam, lParam);
    }
}

6. Оконные сообщения

6.1. Понятие сообщения

typedef struct tagMSG {
    HWND   hwnd;       // Окно-получатель
    UINT   message;    // Код сообщения
    WPARAM wParam;     // Доп. параметр
    LPARAM lParam     // Доп. параметр
    DWORD  time;       // Время
    POINT  pt;         // Координаты курсора
} MSG;

7. Источники сообщений

7.1. Откуда приходят сообщения?

Источники:

1. Операционная система

   • Аппаратные события (клавиатура, мышь)
   • Системные события (таймер, окно)

2. Приложение

   • PostMessage — асинхронная отправка
   • SendMessage — синхронная отправка

3. Другие приложения

   • Межпроцессное взаимодействие

7.2. Отправка сообщений

// Асинхронная отправка (в очередь)
BOOL PostMessage(
    HWND hWnd,      // NULL — все окна
    UINT Msg,
    WPARAM wParam,
    LPARAM lParam
);

// Синхронная отправка (прямой вызов)
LRESULT SendMessage(
    HWND hWnd,
    UINT Msg,
    WPARAM wParam,
    LPARAM lParam
);

// Пример
PostMessage(hWnd, WM_USER + 1, 0, 0);
SendMessage(hWnd, WM_SETTEXT, 0, (LPARAM)L"Новый текст");

8. Очереди сообщений

8.1. Типы очередей

8.2. Приоритеты сообщений

Функции получения:

// Блокирующее получение
GetMessage(&msg, NULL, 0, 0);

// Неблокирующая проверка
PeekMessage(&msg, NULL, 0, 0, PM_REMOVE);

// Фильтрация по диапазону
GetMessage(&msg, NULL, WM_KEYFIRST, WM_KEYLAST);

Фильтры:

• PM_REMOVE — удалить из очереди
• PM_NOREMOVE — оставить в очереди

9. Обработка ввода

9.1. Сообщения клавиатуры

case WM_KEYDOWN:
    // Нажатие клавиши
    if (wParam == VK_ESCAPE)
        PostQuitMessage(0);
    break;

case WM_KEYUP:
    // Отпускание клавиши
    break;

case WM_CHAR:
    // Символ (с учётом раскладки)
    wchar_t ch = (wchar_t)wParam;
    break;

9.2. Сообщения мыши

case WM_LBUTTONDOWN:
    // Нажатие левой кнопки
    int x = GET_X_LPARAM(lParam);
    int y = GET_Y_LPARAM(lParam);
    break;

case WM_MOUSEMOVE:
    // Движение мыши
    break;

case WM_LBUTTONUP:
    // Отпускание левой кнопки
    break;

case WM_MOUSEWHEEL:
    // Колесо мыши
    int delta = GET_WHEEL_DELTA_WPARAM(wParam);
    break;

9.3. Обработка команд

case WM_COMMAND:
    switch (LOWORD(wParam)) {
        case ID_FILE_OPEN:
            // Открыть файл
            break;
        case ID_FILE_SAVE:
            // Сохранить файл
            break;
        case ID_BUTTON_CLICK:
            // Нажатие кнопки
            break;
    }
    break;

10. Графический интерфейс в Linux

10.1. Архитектура графической подсистемы Linux

10.2. X11 (X Window System)

X11 — сетевая оконная система с клиент-серверной архитектурой.

Компоненты:

Xlib — низкоуровневый API:

#include <X11/Xlib.h>
#include <X11/Xutil.h>

int main() {
    Display* dpy = XOpenDisplay(NULL);
    if (!dpy) return 1;
    
    int screen = DefaultScreen(dpy);
    Window root = RootWindow(dpy, screen);
    
    // Создание окна
    Window win = XCreateSimpleWindow(
        dpy, root,
        10, 10, 400, 300,   // x, y, width, height
        1,                   // border width
        BlackPixel(dpy, screen),
        WhitePixel(dpy, screen)
    );
    
    XSelectInput(dpy, win, ExposureMask | KeyPressMask);
    XMapWindow(dpy, win);
    
    // Event loop
    XEvent e;
    while (1) {
        XNextEvent(dpy, &e);
        if (e.type == Expose) {
            // Отрисовка
        }
        if (e.type == KeyPress)
            break;
    }
    
    XCloseDisplay(dpy);
    return 0;
}

10.3. Wayland

Wayland — современный протокол для композитных оконных систем.

Преимущества перед X11:

Wayland-клиент (libwayland):

#include <wayland-client.h>
#include <stdio.h>

static void registry_global(void* data, struct wl_registry* registry,
                            uint32_t name, const char* interface,
                            uint32_t version) {
    printf("Global: %s v%d\n", interface, version);
}

static const struct wl_registry_listener registry_listener = {
    .global = registry_global,
    .global_remove = NULL
};

int main() {
    struct wl_display* display = wl_display_connect(NULL);
    if (!display) return 1;
    
    struct wl_registry* registry = wl_display_get_registry(display);
    wl_registry_add_listener(registry, &registry_listener, NULL);
    
    wl_display_roundtrip(display);
    wl_display_disconnect(display);
    return 0;
}

10.4. GTK (GIMP Toolkit)

GTK — кроссплатформенная библиотека для создания GUI.

#include <gtk/gtk.h>

static void on_activate(GtkApplication* app) {
    GtkWindow* window = GTK_WINDOW(gtk_application_window_new(app));
    gtk_window_set_title(window, "GTK Application");
    gtk_window_set_default_size(window, 400, 300);
    
    GtkWidget* button = gtk_button_new_with_label("Click Me!");
    gtk_window_set_child(window, button);
    
    g_signal_connect(button, "clicked", G_CALLBACK(gtk_window_close), window);
    
    gtk_window_present(window);
}

int main(int argc, char** argv) {
    GtkApplication* app = gtk_application_new("org.example.GtkApp",
                                               G_APPLICATION_DEFAULT_FLAGS);
    g_signal_connect(app, "activate", G_CALLBACK(on_activate), NULL);
    int status = g_application_run(G_APPLICATION(app), argc, argv);
    g_object_unref(app);
    return status;
}

Компиляция:

gcc `pkg-config --cflags gtk4` -o app main.c `pkg-config --libs gtk4`

10.5. Qt Framework

Qt — кроссплатформенный фреймворк для C++.

#include <QApplication>
#include <QPushButton>
#include <QMainWindow>
#include <QMessageBox>

int main(int argc, char** argv) {
    QApplication app(argc, argv);
    
    QMainWindow window;
    window.setWindowTitle("Qt Application");
    window.resize(400, 300);
    
    QPushButton* button = new QPushButton("Click Me!", &window);
    button->setGeometry(100, 100, 200, 50);
    
    QObject::connect(button, &QPushButton::clicked, [&]() {
        QMessageBox::information(&window, "Message", "Button clicked!");
    });
    
    window.show();
    return app.exec();
}

Компиляция (qmake):

qmake -project
qmake
make

Компиляция (CMake):

find_package(Qt6 REQUIRED COMPONENTS Widgets)
target_link_libraries(myapp Qt6::Widgets)

10.6. Сравнение GUI-фреймворков

Резюме

Ключевые моменты лекции:

1. GUI vs Console — разные парадигмы взаимодействия
2. Класс окна — шаблон для создания окон (Windows)
3. Событийное управление — основа GUI приложений
4. Сообщения — механизм коммуникации
5. Очереди сообщений — организация обработки
6. Оконная процедура — обработчик событий
7. Linux GUI — X11, Wayland, GTK, Qt

Вопросы для самопроверки

1. Чем отличается консольный интерфейс от GUI?
2. Что такое класс окна?
3. Как работает цикл обработки сообщений?
4. Какие источники сообщений существуют?
5. В чём разница между PostMessage и SendMessage?
6. Как обрабатывать ввод с клавиатуры и мыши?
7. Чем отличается X11 от Wayland?
8. Какие GUI-фреймворки существуют для Linux?

Практические задания

Самостоятельная работа (8 часов):

1. Создать простое WinAPI-приложение с обработкой сообщений
2. Написать GTK-приложение с кнопкой и обработкой события
3. Исследовать структуру X11-приложения с помощью xev, xprop
4. Создать простое Qt-приложение

Рекомендуемая литература

Основная:

1. Таненбаум, Э. Современные операционные системы. — 4-е изд. — СПб.: Питер, 2021.
2. Kerrisk, M. The Linux Programming Interface. — No Starch Press, 2010.

Дополнительная:

3. MSDN: Window Procedures, Message Queues
4. GTK Documentation: https://docs.gtk.org/
5. Qt Documentation: https://doc.qt.io/
6. Wayland Protocol: https://wayland.freedesktop.org/docs/
7. Xlib Programming Manual (Nye, A.)